Optisch schalten mit Flüssigkristallen
Fraunhofer-Forscher stellen schnelle optische Schalter und Modulatoren vor.
Glasfaser als Übertragungsmedien garantieren höchste Datenraten über weite Strecken und sind heute bei öffentlichen Kommunikationsnetzen ohne Konkurrenz. Um das Potenzial der Lichtwellenleiter voll zu nutzen, werden optische Schalter und Modulatoren eingesetzt, welche die verschiedensten Signale bündeln und kanalisieren. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden entwickelt Schalter und Modulatoren basierend auf elektrooptischen Wellenleitern in speziellen Flüssigkristallen. Diese Flüssigkristalle reagieren besonders sensitiv auf elektrische Felder, zeigen kurze Reaktionszeiten im Submikrosekundenbereich, sowie eine gute Transparenz über einen weiten Spektralbereich vom Sichtbaren bis ins Infrarot. Mögliche Anwendungen für die Technologie gehen über optische Kommunikationsnetze hinaus. Auf der OFC/NFOEC 2013 in Anaheim, Kalifornien, der weltweit führenden Messe und Konferenz auf dem Gebiet der faseroptischen Kommunikationstechnologien, stellt das Fraunhofer IPMS die Technologie der breiten Öffentlichkeit vor.
Abb.: Demonstrator eines fasergekoppelten Flüssigkristall-Schalters mit zwei Schaltzuständen. (Bild: Fraunhofer IPMS)
Die Möglichkeiten faser-optischer Netze für die Übertragung von großen Datenmengen scheinen nahezu grenzenlos: Hohe Bandbreiten, die Geschwindigkeiten von mehreren TBit/s zulassen und geringe Verluste, so dass das optische Signal nur in sehr großen Abständen verstärkt werden muss. Doch diese Möglichkeiten kommen nur zum Tragen, wenn es gelingt, die Bandbreite des Datennetzes durch beispielweise Zusammenführung, Trennung, Verstärkung und Abschwächung verschiedener faseroptischer Signale voll auszunutzen. Die Anforderungen an diese speziellen Techniken sind hoch. Die optischen Schalter oder Multiplexer, die hier eingesetzt werden, müssen schnell und zuverlässig schalten, eine große Anzahl von Schaltzyklen erlauben, auf unterschiedliche Kanäle anpassbar sein, sich durch geringe Einfügedämpfung und geringes Übersprechen auszeichnen und sich in verschiedenste Baugruppen integrieren lassen. Die vom Fraunhofer IPMS in Dresden entwickelte Lösung ist hinsichtlich all dieser Faktoren sehr vielversprechend.
Die von den Wissenschaftlern entwickelten optischen Schalter basieren auf elektrooptisch induzierten Wellenleitern in speziellen Flüssigkristallen. Entwicklungsleiterin Florenta Costache erläutert den Effekt, der dabei zum Einsatz kommt, so: „Mittels von außen angelegter elektrischer Felder werden große Anisotropien in einem eng begrenzten Raumbereich innerhalb einer Flüssigkristallschicht induziert. So lässt sich die Führung einer Lichtwelle entlang dieses Bereiches gezielt steuern.“ Der hierdurch induzierte Wellenleiter erlaubt die Lichtführung mit Verlusten von lediglich 0.5 dB/cm. Das schnelle Schaltverhalten des Bauteils basiert auf dem elektrooptischen Kerreffekt der Flüssigkristalle, die unterhalb einer Mikrosekunde auf das elektrische Feld ansprechen. Die Bauelemente sind für 1550 Nanometer Telekom-Wellenlänge entwickelt. Jedoch, wenn gewünscht, kann das Bauelement für jede Wellenlänge vom sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich (400 - 1600 nm) realisiert werden.
Hergestellt werden diese Bauteile mittels planarer Silizium-Wafer-Technologie. Das erlaubt hohe Stückzahlen und eine kostengünstige Produktion. Aufgrund des geradlinigen Designs bietet der am Fraunhofer IPMS entwickelte Schalter bedeutende Vorteile in Bezug auf die Stabilität und Zuverlässigkeit des Schaltvorganges und die Integrierbarkeit in optische Bauelemente. Optische Kommunikationsnetzwerke sind daher keineswegs das einzige Anwendungsfeld für die elektrooptisch induzierten Flüssigkristallwellenleiter des Fraunhofer IPMS.
„Unsere Schalttechnik ist prinzipiell für alle komplexen optischen Systeme in Anwendungen wie der Datenverarbeitung, der Sensorik, Lasertechnologie oder Sicherheitstechnik prädestiniert,“ erläutert Florenta Costache und nennt ein Beispiel: „In Brücken, Windenergieanlagen, Pipelines oder Schienenfahrzeugen werden einzelne optische Fasersensoren zu umfangreichen Sensornetzwerken zusammengefasst, um Änderungen in Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Beschleunigung, Vibrationen und Dehnungen auch unter widrigsten Bedingungen schnell und ortsgenau zu erkennen. Unsere elektrooptischen Schalter dienen hier dazu, die einzelnen Kanäle für die zyklische Auswertung den Analyseinstrumenten zuzuordnen.“
Fraunhofer IPMS / DE
